Учебное пособие

стабилизация выходного напряжения, когда его значение с определенной точностью поддерживается неизменным во всех условиях и режимах работы выпрямителя [1].

Электромагнитные процессы, имеющие место в схеме (рисунок 2.25), полностью идентичны рассмотренным выше (рисунок 2.24), за исключением того, что одновременно с открыванием тиристора VD2 открывается диод VD3, а при открывании тиристора VD4 открывается диод VD1 [1].

Рисунок 2.24. Временные диаграммы, поясняющие работу регулируемого выпрямителя

Другой вариант регулируемого выпрямителя представлен на рисунке 2.25

[1].

Рисунок 2.25. Управляемый выпрямитель с трансформатором без вывода средней точки

41

2.8. Стабилизаторы напряжения

Для нормального функционирования большинства электронных устройств необходимо обеспечить их стабильным напряжением питания. Основными факторами, вызывающими колебания напряжения являются: колебания напряжения питающей сети, изменения частоты питающего напряжения, колебания сопротивления нагрузки, изменения температуры [1].

В зависимости от типа питаемого устройства относительное изменение напряжения питания (ΔUвых/ Uвых.ном)·100% может измениться в пределах от 0,005 до 3% и более.

Устройства, автоматически поддерживающие неизменным напряжение (ток) на своем выходе, называются стабилизаторами напряжения (тока). Использующиеся в ИП стабилизаторы напряжения делятся на две группы: параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы строятся на основе нелинейных элементов (стабилитронов, варисторов и др.), параметры которых изменяются непосредственно под воздействием дестабилизирующих факторов (рисунок 2.26) [1].

Компенсаторные стабилизаторы имеют обратную связь по напряжению, благодаря которой выходное сопротивление стабилизатора существенно уменьшается и выходное напряжение остается более стабильным (рисунок 2.27) [1].

Рисунок 2.26. Вольтамперные характеристики нелинейных элементов. Стабилизатор напряжения (а), Стабилизатор тока (б)

Рисунок 2.27. Функциональная схема компенсационного стабилизатора

Стабилизатор работает следующим образом. В измерительном элементе происходит сравнение выходного напряжения с опорным и вырабатывается сигнал рассогласования. В преобразующем устройстве сигнал рассогласования усиливается и преобразуется в управляющий сигнал для регулирующего элемента. Под действием этого управляющего сигнала изменяется внутреннее состояние регулирующего элемента так, чтобы поддерживать выходное напряжение равное опорному [1].

42

2.8.1.Основные параметры стабилизаторов

Наиболее важными электрическими параметрами стабилизаторов напряжения являются [1]:

1) Коэффициент стабилизации:

где Uвых,Uвых - входное и выходное напряжения;

Uвых - приращение выходного напряжения обусловленное изменением напряжения на входе Uвх.

В общем случае коэффициентом стабилизации напряжения называют частное от деления относительного изменения напряжения на входе на относительное изменение напряжения на выходе стабилизатора.

Различают интегральный и дифференциальный коэффициенты стабилизации. Интегральный Кст определяет стабилизацию в заданном диапазоне изменения дестабилизирующего фактора (входного напряжения)

(рисунок 2.28), дифференциальный Кст в бесконечно малом диапазоне изменения этой величины [1].

Рисунок 2.2.8 К определению интегрального коэффициента стабилизации

Практическое значение имеет интегральный коэффициент стабилизации Кст:

KHU определяется как отношение производной выходного напряжения по входному напряжению к выходному напряжению;

3) Коэффициент нестабильности по току:

KHI определяется как относительное изменение выходного напряжения при изменении выходного тока в заданном интервале значений;

43

4) Выходное сопротивление:

Выходным сопротивлением стабилизатора называется отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении;

5)Коэффициент подавления (сглаживания) пульсаций – отношение напряжения пульсаций на входе стабилизатора к напряжению пульсаций на его выходе.

Для некоторых стабилизаторов коэффициент подавления пульсаций примерно равен коэффициенту стабилизации напряжения;

6)Коэффициент полезного действия КПД определяется как отношение мощности отдаваемой стабилизатором в нагрузку к мощности, потребляемой самим стабилизатором [1].

2.8.2.Требования, предъявляемые к стабилизаторам

Взависимости от назначения ИП и вида нагрузки к стабилизаторам предъявляются следующие требования [1]:

1)высокий КПД;

2)высокий коэффициент стабилизации Кст;

3)возможность плавной или ступенчатой регулировки выходного напряжения (тока);

4)минимальные габариты и вес;

5)минимальные пульсации выходного напряжения.

2.8.3. Параметрические стабилизаторы

Основными особенностями таких стабилизаторов являются: простота, невысокий КПД (особенно при переменном сопротивлении нагрузки), малый коэффициент стабилизации, трудность получения точного значения выходного напряжения и регулирования его без использования дополнительного проходного транзистора [1].

Схемы простейшего параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне представлены на рисунке 2.29 [1].

Рисунок 2.29. Параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. Принципиальная схема (а), вольтамперная характеристика стабилитрона (б)

Для стабилизации напряжения используется участок вольтамперной характеристики с неизменным обратным напряжением при изменении обратного тока в интервале от Iстмин. до Iст макс. Минимальное и максимальное значение тока

44

стабилизации Iстмин., Iст макс. определяются типономиналом стабилитрона. Типовые значения предельных токов стабилизации для маломощных стабилитронов: Iстмин. =

=3-5 мА, Iстмакс. = 20 - 45 мА [1].

Вслучае уменьшения обратного тока стабилизации ниже Iст мин. режим

стабилизации нарушается. При превышении обратным током значения Iст макс. обратимый пробой стабилитрона переходит в необратимый тепловой пробой [1].

Ограничение тока стабилизации осуществляется с помощью балластного резистора RБ. На этом же сопротивлении падает излишек напряжения U=Uвх-Uвых. Выбор значения сопротивления RБ производится с учетом диапазонов изменения: тока нагрузки, входного напряжения и тока стабилизации выбранного

стабилитрона [1].

Коэффициент стабилизации по напряжению стабилизатора (рисунок 2.29) приближенно может быть определен как отношение значений сопротивлений балластного резистора RБ и дифференциального сопротивления стабилитрона rд (Кст ≈ RБ / rд) Для повышения Кст целесообразно повышать значение сопротивления RБ и выбирать стабилитрон с малым изменением напряжения стабилизации во всем диапазоне изменения Тст. Типовые значения Кст схемы (рисунок 2.29) находятся в интервале от 20 до 40 единиц. Одним из недостатков простейших стабилизаторов является зависимость величины выходного напряжения от температуры. Температурные изменения Uвых; могут быть уменьшены за счет применения прецизионных стабилитронов с малым температурным коэффициентом напряжения или использованием схемы термокомпенсации [1].

На рисунке 2.30 представлена улучшенная схема параметрического стабилизатора с термокомпенсацией. Диоды VD2, VD3, VD4 предназначены для термокомпенсации напряжения на опорном диоде VD1.

Для схемы (рисунок 2.30) Uвых = UVD1+ UVD2 + UVD3 + UVD4, где UVD1- опорное напряжение на кремниевом

стабилитроне, UVD1, UVD2, UVD3, - прямые напряжения на термокомпенсирующих германиевых диодах (или стабилитронах, включённых в обратном направлении).

Количество термокомпенсирующих диодов выбирается в зависимости от типа и количества кремниевых стабилитронов, включенных в обратном направлении [1].

При включении термокомпенсирующих диодов Кст уменьшается примерно в 2-4 раза. Дополнительные диоды так же увеличивают выходное сопротивление схемы [1].

Повысить коэффициент стабилизации устройств с термокомпенсирующими диодами можно применив двухкаскадную схему (рисунок 2.31) [1].

45

Рисунок 2.31. Двухкаскадный стабилизатор с термокомпенсацией

Результирующий коэффициент стабилизации схемы равен произведению коэффициентов стабилизации каскадов (Кст= Кст1·Кст2). Выходное сопротивление определяется выходным сопротивлением 2-го каскада. Термокомпенсацию целесообразно использовать только во втором каскаде, чтобы первый каскад имел максимальный коэффициент стабилизации [1].

Рисунок 2.32. Двухкаскадный параметрический стабилизатор с уменьшенным выходным сопротивлением

В стабилизаторе (рисунок 2.32) через диоды VD4 - VD6 пропускается дополнительный ток, протекающий через дополнительное сопротивление RД. При этом уменьшается динамическое сопротивление термокомпенсирующих диодов и, следовательно, выходное сопротивление схемы. Другой особенностью схемы (рисунок 2.32) является возможность плавной регулировки термокомпенсации путем изменения величины сопротивления RД. Недостатком стабилизатора (рисунок 2.32) является пониженный коэффициент полезного действия вследствие увеличения тока протекающего через термокомпенсирующие диоды [1].

Повышение нагрузочной способности параметрических стабилизаторов.

Особенностью всех рассмотренных выше схем параметрических стабилизаторов является то, что в случае переменной нагрузки максимальный выходной ток не может превышать максимальный ток стабилизации стабилитрона. Увеличить выходной ток стабилизатора можно с помощью транзистора, включенного по схеме общий коллектор (рисунок 2.33) [1].

46

Рисунок 2.33. Параметрический стабилизатор с повышенной нагрузочной способностью

Элементы RБ и диод VD образуют обычный параметрический стабилизатор, нагрузкой которого является база транзистора VT. Транзистор в рассматриваемой

схеме является усилителем тока нагрузки Iэ Iб , где - коэффициент

передачи тока транзистора. Учитывая, что падение напряжения на переходе базаэмиттер величина практически постоянная и относительно небольшая (до 0,5 В для германиевых и до 1,0 В для кремниевых транзисторов), можно считать, что напряжение на нагрузке примерно равно напряжению стабилизации опорного

диода VD (рисунок 2.33): UH=Uст-Uбэ≈ Uст [1].

Для нормального функционирования устройства необходимо чтобы

выполнялось следующее неравенство: I H / (Iст.макс Iст.мин ) где Iст.макс , Iст.мин - максимальное и минимальное значение тока стабилизации стабилитрона. При выборе транзистора следует иметь в виду, что чем меньше ток отбираемый транзистором от стабилитрона, тем больше Кст [1].

Мощные транзисторы имеют, как правило, малый коэффициент усиления тока от 10 до 40). Поэтому для получения больших токов нагрузки можно использовать два и более транзисторов, включенных по схеме Дарлингтона [1].

Стабилизатор (рисунок 2.33) можно рассматривать и как простейший компенсационный стабилизатор, так как в нем реализуется отрицательная обратная связь по напряжению. Нетрудно заметить, что в качестве регулирующего элемента выступает транзистор, для управления которым необходимы малые напряжения (около 0,2 - 0,6), что позволяет обойтись без измерительного элемента и преобразующего устройства [1].

Работа стабилизатора заключается в том, что при нормальном режиме (отсутствие дестабилизирующих факторов) на стабилитроне создается опорное напряжение Uст, которое распределяется между переходом база-эмиттер транзистора и нагрузкой Uст=Uбэ - Uн, то есть устанавливается некоторое значение Uбэ =Uст - Uн, определяющее степень открытия транзистора VT (сопротивление перехода коллектор-эмиттер Rкэ). Предположим, что изменяется сопротивление нагрузки, что приводит к изменению тока нагрузки. То есть данный дестабилизирующий фактор стремится изменить значение выходного напряжения в сторону увеличения или уменьшения. Процесс стабилизации схематично можно изобразить следующим образом [1]:

47

Введение в схему (рисунок 2.33) потенциометра, подключенного параллельно стабилитрону, позволяет плавно регулировать выходное напряжение (рисунок 2.34).

Рисунок 2.34. Параметрический стабилизатор с регулировкой выходного напряжения

При расчете схемы с регулировкой выходного напряжения необходимо учитывать, что для нормальной работы стабилизатора необходимо обеспечить протекание тока через RР большего по величине тока базы транзистора не менее чем в 3 раза [1].

2.8.4.Компенсационные стабилизаторы

Компенсационные стабилизаторы обладают более лучшими параметрами, чем параметрические стабилизаторы. Принцип их действия основан на том, что последовательно или параллельно с нагрузкой включается некоторое компенсационное сопротивление Rк (рисунок 2.35) [1].

Рисунок 2.35. Компенсационные стабилизаторы: последовательный (а), параллельный (б)

В зависимости от вида подключения RK компенсационные стабилизаторы делятся на последовательные и параллельные. В схеме последовательного стабилизатора входное напряжение UВХ распределяется между RK и RH: UВХ =UК-UН. Стабилизация напряжения на нагрузке достигается за счет изменения RK, а следовательно и падения напряжения на RK в соответствии с принципом [1]:

48

При параллельном соединении компенсационного резистора и нагрузки UВХ подается на делитель напряжения, образованный балластным резистором Rб и параллельно включенными RK и RН. Стабилизация напряжения UН осуществляется за счет изменения RK. При этом изменяется ток IВХ =IК - IН 1. Изменение IВХ приводит к изменению падения напряжения на балластном сопротивлении Uб и напряжение на нагрузке поддерживается постоянным [1]:

Изменение сопротивления RK в стабилизаторах происходит автоматически в зависимости от текущих значений IН , UВХ и UН.

Чаще всего в качестве RK используются транзисторы (рисунок 2.36). При использовании биполярного транзистора RK представляет собой сопротивление перехода коллектор-эмиттер (RK = RKЭ). Управляющим электродом является база транзистора. Для полевого транзистора RK - сопротивление канала между стоком и истоком (RK = RСИ). Управляющим электродом является затвор [1].

Рисунок 2.36. Транзисторы в качестве компенсационных сопротивлений: Биполярный (а), полевой (б)

2.8.5. Параллельные и последовательные стабилизаторы

Параллельные стабилизаторы имеют меньший КПД и применяются реже. Для стабилизации повышенных напряжений и токов при переменных нагрузках обычно используют стабилизаторы напряжения последовательного типа. Однако данные устройства необходимо защищать от короткого замыкания выходной цепи и выбирать транзистор с допустимым напряжением UKЭ > UВХ. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов представлены на рисунке 2.37 [1].

Регулирующим элементом является транзистор. На схему сравнения поступает два напряжения: опорное и выходное. Разность этих напряжений U=Uвых-Uоп, усиленная усилителем постоянного тока является управляющим

напряжением Uупр, задающим необходимое внутреннее сопротивление РЭ. Рассматриваемые устройства, в отличии от параметрических стабилизаторов,

имеют меньшее выходное сопротивление за счет наличия отрицательной обратной связи по напряжению, а следовательно, и лучшие стабилизирующие свойства.

Источник опорного напряжения (ИОН) обычно представляет собой однокаскадный параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне. От качества ИОН существенно зависит качество работы стабилизатора. Если по какойлибо причине изменяется напряжение стабилизации стабилитрона, то изменяется и напряжение на выходе компенсационного стабилизатора. Это следует учитывать при выборе стабилитрона. Прежде всего необходимо обращать внимание на [1]:

49

1.разброс значений напряжения стабилизации, который, в среднем составляет от 0,1 до 0,4 В;

2.температурный коэффициент напряжения стабилизации;

3.допустимый диапазон изменения тока стабилизации.

Назначение схемы сравнения - определять отклонение выходного напряжения (или его части) от заданного (опорного) напряжения Uоп и передавать это отклонение на схему УПТ по цепи обратной связи. Схема сравнения может быт выполнена на одном или нескольких транзисторах. В стабилизаторах напряжения ее обычно совмещают с УПТ (усилителем сигнала рассогласования) и источником опорного напряжения.

Измерительный элемент обычно представляет собой резистивный делитель напряжения подключённый к выходу стабилизатора. Основное требование к ИЭ - постоянство коэффициента деления. В цепи ИЭ может быть включен переменный или подстроечный резистор, что позволяет в определённых пределах изменять выходное напряжение [1].

Назначение схемы сравнения - определять отклонение выходного напряжения (или его части) от заданного (опорного) напряжения Uоп и передавать это отклонение на схему УПТ по цепи обратной связи. Схема сравнения может быт выполнена на одном или нескольких транзисторах. В стабилизаторах напряжения её обычно совмещают с УПТ (усилителем сигнала рассогласования) и источником опорного напряжения [1].

Рисунок 2.37. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов

На рисунке РЭ – регулирующий элемент, УПТ – усилитель постоянного тока, ИЭ – измерительный элемент, ИОН – источник опорного напряжения, СС – схема сравнения, Rн – сопротивление нагрузки, Rб – балластный резистор.

Измерительный элемент обычно представляет собой резистивный делитель напряжения подключенный к выходу стабилизатора. Основное требование к ИЭ - постоянство коэффициента деления. В цепи ИЭ может быть включен переменный

50